Voorkomen van explosies van lithium-ionbatterijen met diamanten

In vergelijking met andere batterijtechnologieën hebben lithium-ionbatterijen (Li-ion) een relatief hoge energiedichtheid en een lange levensduur. Hun ontwikkeling door de jaren heen heeft hen in staat gesteld om de batterijtechnologie bij uitstek te zijn op een aantal gebieden.

Deze omvatten het aandrijven van draagbare elektronica en elektrische voertuigen. Hoewel ze gewenste eigenschappen bezitten en andere commercieel beschikbare technologie overtreffen, zijn ze echter niet zonder hun problemen.

Li-ionbatterijen kunnen onder de juiste omstandigheden gevaarlijk exploderen. Dit is reden tot grote bezorgdheid. Hun potentiële gevaar is zodanig dat luchtvaartmaatschappijen deze batterijtechnologie alleen in handbagage toestaan.

Wanneer het onderwerp van exploderende Li-ion-batterijen aan de orde komt, komt de beruchte Samsung Galaxy Note 7 onmiddellijk in me op. Verschillende batterijen van dit uiteindelijk opgeroepen Samsung-apparaat explodeerden eenvoudig.

De controverse in verband met exploderende hoverboards duikt ook op. De gemene deler tussen deze 2 scenario's is dat de explosies het gevolg waren van defecte Li-ion-batterijen.

Hoewel deze 2 gevallen veel aandacht kregen, zijn andere apparaten die Li-ionbatterijen bevatten al eerder ontploft. Hoewel het zeldzaam is met batterijen met de juiste kwaliteit, is een exploderende Li-ionbatterij een ernstig risico dat niet lichtvaardig moet worden genomen.

Een groep onderzoekers van de Drexel-universiteit erkende dat er nog steeds risico's verbonden zijn aan deze batterijtechnologie en hebben een interessante draai aan dit verhaal verzonnen. Ze gebruiken diamanten om de batterijen stabieler te maken! Ik wil je echt alles vertellen over deze nieuwe oplossing, maar laten we eerst wat achtergrondinformatie doornemen.

De belangrijkste componenten van een batterij zijn als volgt:

• Positieve en negatieve polen: dit zijn de contactpunten voor elektrische apparatuur. Hiermee kan elektriciteit van de batterij naar de apparatuur gaan.
• Anode en kathode: chemische reacties treden op bij deze elektroden die verantwoordelijk zijn voor het genereren van een stroom.
• Elektrolyt: Dit is een medium dat de stroom van lading tussen de kathode en de anode mogelijk maakt.

Hoe lithium-ionbatterijen defect raken en vervolgens exploderen

Explosies in Li-ionbatterijen treden voornamelijk op als gevolg van kortsluiting van de positieve en negatieve polen. De vorming van structuren genaamd dendrieten aan de binnenkant van batterijen kan deze kortsluiting veroorzaken.

Een kortsluiting is een elektrische verbinding die overmatige stroomstroming veroorzaakt en warmte genereert.

Dendrieten zijn opeenhopingen die zich aan de binnenkant van een Li-ionbatterij kunnen vormen.

In wezen kortsluiten deze dendrieten de positieve en negatieve polen van de batterij, waardoor grote hoeveelheden warmte worden gegenereerd en de elektrolyt in de batterij wordt ontstoken.

De meeste elektrolyten zijn ontvlambaar. Wanneer het wordt ontstoken, veroorzaakt een elektrolyt meestal een explosie.

Veiligheidsmaatregelen

Gelukkig meet veiligheidsmechanismen bestaan ​​in hoogwaardige Li-ion-batterijen.

Huidige maatregelen

Om de vorming van dendriet te voorkomen, gebruiken Li-ionbatterijen die momenteel op de markt zijn een grafietelektrode die is gevuld met lithium. Hoewel deze configuratie de vorming van dendriet onderdrukt, vermindert het ook de energiedichtheid van de batterij.

Als deze elektrode van puur lithium is gemaakt, hebben batterijen ongeveer 10 keer hun huidige capaciteit. Ze zullen echter ook meer exploderen vanwege een verhoogd potentieel voor dendrietvorming.

Deze methode is behoorlijk effectief. Batterijen van ondermaatse kwaliteit hebben echter de neiging om het niet helemaal goed te doen, wat kan leiden tot explosies. Hoewel dit het geval is, kan de hierna beschreven methode mogelijk een nog beter veiligheidsmechanisme zijn.

Drexel-onderzoekers Nieuwe oplossing

Het Drexel-team heeft een nieuwe oplossing bedacht om de energiedichtheid van puur lithium te handhaven en tegelijkertijd de veiligheid te verbeteren. Ze ontwierpen een batterij die gebruik maakt van een pure lithiumelektrode. Om de vorming van dendriet tegen te gaan, geven ze de elektrolytoplossing nano-diamanten.

Nanodiamanten zijn extreem kleine diamanten.

De nanodiamanten verminderen drastisch het risico van de chemische reactie die optreedt bij de elektroden met de vorming van dendriet tot gevolg. Lithium wordt gecoat op een van de elektroden tijdens het ontladen van de batterij. De nanodiamanten zorgen voor een uniforme coating en voorkomen dendrieten.

Laatste gedachten

Het team geeft toe dat hoewel deze methode vrij effectief is op basis van hun tests, het moeilijk is om te zeggen dat hun methode de vorming van dendriet volledig zou elimineren. Dat gezegd hebbende, deze methode is veelbelovend omdat het de veiligheid verbetert en een batterij met een hogere capaciteit mogelijk maakt.